一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置及方法

1.本发明涉及一种间接监测变压器寿命的装置和方法。


背景技术：

2.在一些电力系统变压器中，绝缘系统通常采用油纸绝缘。绝缘油纸在过热及放电的作用下，会发生老化现象和分解现象，在变压器内部产生大量老化产物。通过检测变压器固体绝缘材料老化情况，可以推算变压器的老化状况，进而判断变压器整体设备的运行状态，最终决定变压器是否需要及时更换。
3.而能够有效表征绝缘纸老化程度的特征量主要有绝缘纸聚合度、油中糠醛含量和油中溶解气体，但直接检测上述特征量的难度大，而检测结果的误差也较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有检测表征绝缘纸老化程度的特征量，检测难度大、误差也较大的问题，提供了一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置。
5.本发明提供一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置，包括油室、油泵、惰性气体发生装置、定量室、色谱气体分离装置、甲醇气敏装置、检测气体抽取泵和上位机；
6.油室能够通过油泵与被测变压器的储油箱连通；且油室还通过第一气阀与定量室连通；
7.惰性气体发生装置的惰性气体出口通过第二气阀与油室连通；
8.定量室通过第三气阀与色谱气体分离装置的混合气体入口连通，色谱气体分离装置的甲醇出口与甲醇气敏装置的甲醇入口连通；
9.检测气体抽取泵依次通过甲醇气敏装置和色谱气体分离装置连通至定量室内部；
10.甲醇气敏装置的甲醇含量输出端与上位机的甲醇含量输入端电气连接；
11.上位机能够根据甲醇含量计算得到被测变压器油纸的聚合度，变压器油纸的聚合度对应了变压器油纸绝缘老化状态。
12.本发明还提供一种变压器油纸绝缘老化状态监测方法，基于上述的监测装置，具体步骤如下：
13.步骤一、油室通过油泵从被测变压器的储油箱中抽取第一设定容量的变压器油；
14.步骤二、利用惰性气体发生装置所产生的惰性气体，将油室内第二设定容量的混合气体吹入定量室；
15.混合气体由油室内的变压器油蒸发生成，且该混合气体包括甲醇气体；
16.步骤三、利用色谱气体分离装置将甲醇气体与其他气体分离，再利用甲醇气敏装置检测分离后甲醇气体的甲醇含量；
17.步骤四、上位机根据甲醇含量计算得到变压器油纸的聚合度，并根据变压器油纸的聚合度对应得到变压器油纸绝缘老化状态。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明的可以实时监测变压器油纸绝缘的状态，通过检测甲醇含量，简单易行且甲醇含量和变压器油纸的聚合度存在高度线性关系，因此检测误差小。能够通过实时监测变压器油纸绝缘的状态，及时发现潜在的故障隐患和安全隐患；使操作人员能够及时对变压器的故障和安全隐患进行处理；并且可以通过上位机实现远程监测和诊断，及时发现故障隐患，提高运行效率。
附图说明
20.图1为本发明的一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
23.下面结合附图1和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
24.具体实施方式一
25.本实施方式的一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置，包括油室1、油泵2、惰性气体发生装置3、定量室4、色谱气体分离装置5、甲醇气敏装置6、检测气体抽取泵7和上位机；
26.油室1能够通过油泵2与被测变压器的储油箱连通；且油室1还通过第一气阀8与定量室4连通；
27.惰性气体发生装置3的惰性气体出口通过第二气阀9与油室1连通；
28.定量室4通过第三气阀10与色谱气体分离装置5的混合气体入口连通，色谱气体分离装置5的甲醇出口与甲醇气敏装置6的甲醇入口连通；
29.检测气体抽取泵7依次通过甲醇气敏装置6和色谱气体分离装置5连通至定量室4内部；
30.甲醇气敏装置6的甲醇含量输出端与上位机的甲醇含量输入端电气连接；
31.上位机能够根据甲醇含量计算得到被测变压器油纸的聚合度，变压器油纸的聚合度对应了变压器油纸绝缘老化状态。
32.具体实施方式二
33.本实施方式是对实施方式一的进一步说明，本实施方式中，还包括加热带12；
34.加热带12缠绕在油室1的外侧壁。
35.本实施方式的其他技术特征与实施方式一完全相同。
36.具体实施方式三
37.本实施方式是对实施方式二的进一步说明，本实施方式中，还包括定量室抽真空泵13；
38.定量室抽真空泵13通过第四气阀15与定量室4连通。
39.本实施方式的其他技术特征与实施方式二完全相同。
40.具体实施方式四
41.本实施方式是对实施方式三的进一步说明，本实施方式中，还包括液位计14；
42.液位计14固定在油室1的顶部，且该液位计14的检测端插入至油室1内部，能够检测油室1内变压器油的液位。
43.本实施方式的其他技术特征与实施方式三完全相同。
44.具体实施方式五
45.本实施方式的一种变压器油纸绝缘老化状态监测方法，基于实施方式四的监测装置，具体步骤如下：
46.步骤一、油室1通过油泵2从被测变压器的储油箱中抽取第一设定容量的变压器油；
47.步骤二、利用惰性气体发生装置3所产生的惰性气体，将油室1内第二设定容量的混合气体吹入定量室4；
48.混合气体由油室1内的变压器油蒸发生成，且该混合气体包括甲醇气体；
49.步骤三、利用色谱气体分离装置5将甲醇气体与其他气体分离，再利用甲醇气敏装置6检测分离后甲醇气体的甲醇含量；
50.步骤四、上位机根据甲醇含量计算得到变压器油纸的聚合度，并根据变压器油纸的聚合度对应得到变压器油纸绝缘老化状态。
51.本实施方式的其他技术特征与实施方式四完全相同。
52.具体实施方式六
53.本实施方式是对实施方式五的进一步说明，本实施方式中，变压器油纸的聚合度与变压器油纸绝缘老化状态对应关系如下：
54.当变压器油纸的聚合度大于等于900时，变压器油纸绝缘状态良好；
55.当变压器油纸的聚合度大于等于500时且小于900时，变压器油纸开始老化，绝缘状态一般；
56.当变压器油纸的聚合度大于等于250时且小于500时，变压器油纸老化严重，绝缘状态差；
57.当变压器油纸的聚合度小于250时，变压器油纸彻底老化，寿命终止。
58.本实施方式的其他技术特征与实施方式五完全相同。
59.具体实施方式七
60.本实施方式是对实施方式五或六的进一步说明，本实施方式中，步骤一中还包括：
61.利用加热带12对油室1内变压器油进行加热的过程。
62.本实施方式的其他技术特征与实施方式五或六完全相同。
63.具体实施方式八
64.本实施方式是对实施方式七的进一步说明，本实施方式中，步骤二中还包括：
65.在混合气体吹入定量室4之前，利用定量室抽真空泵13对定量室4进行抽真空的过程。
66.本实施方式的其他技术特征与实施方式七完全相同。
67.具体实施方式九
68.本实施方式是对实施方式五、六或八的进一步说明，本实施方式中，步骤一中，油
室1内变压器油的容量通过液位计算得到；
69.液位通过液位计14测得。
70.本实施方式的其他技术特征与实施方式五、六或八完全相同。
71.具体实施方式十
72.本实施方式是对实施方式九的进一步说明，本实施方式中，第一设定容量为360ml，第二设定容量为100ml。
73.本实施方式的其他技术特征与实施方式九完全相同。
74.具体实施例
75.本发明的一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置及方法，基于甲醇特征量。
76.装置包括油循环单元(油室1和油泵2)、惰性气体发生装置3、定量室4、监测单元(色谱气体分离装置5、甲醇气敏装置6和检测气体抽取泵7)、第一气阀8、第二气阀9、第三气阀10、加热带12、定量室抽真空泵13、液位计14、第四气阀15、三通16以及相应的电源及控制单元17(用于以发明方法中控制各种气阀和装置，或与上位机通信，接收上位机的指令控制各种气阀和装置)。
77.本装置分为两部分：
78.第一部分为甲醇取样部分：油室1下方通过波纹管与油泵2连接，外部缠上加热带12用于加速变压器油蒸发生成混合气体，上方插入液位计14用于检测变压器油在油室1内的液位(油泵2本身也可以采用计量泵，直接泵送设定容量的变压器油)，惰性气体发生装置3通过产生惰性气体(可以选用氦气)将油室1内产生的混合气体吹入定量室4。
79.甲醇存在于从被测变压器中提取的变压器油里，开始甲醇为液态，通过加热带对罐内液体进行加热使其变成气态从变压器油中分离出来。但分离时有其他杂质气体，比如甲烷、乙烯、乙烷、乙炔，由于这些气体会对检测值产生干扰，所以会对混合气体进行分离，只取在甲醇气体对应的吹出时间的检测值记录。
80.第二部分为甲醇检测部分：油室1上方通过三通16与定量室4相连用于存放吹入的混合气体，定量室4下方再连接甲醇气敏装置6和色谱气体分离装置5，甲醇气敏装置6可以根据现有原理检测出定量室4内的甲醇含量，定量室4另一侧通过三通16连入定量室抽真空泵13用于在吹入气体前将定量室4内抽成真空状态。
81.定量室4用于暂时存放混合气体并进行下一步的混合气体的检测。
82.按照装置整体运行流程，三个与气体运动有关的装置的工作的先后顺序为定量室抽真空泵13、惰性气体发生装置3、检测气体抽取泵7。定量室抽真空泵13先将油室1和定量室4抽成真空；在混合气体从取样的变压器油中逸出后，通过惰性气体发生装置3将混合气体吹入定量室4中并关闭定量室4两侧所有阀门，混合气体在其中静置约半分钟；检测气体抽取泵7将定量室4中静置过的混合气体抽入色谱气体分离装置5进行分离。
83.甲醇气敏装置6用于实时测量定量室4中甲醇含量。
84.油泵2实现快速将变压器油油在一定时间内泵入油室1并进行回油构成了油循环系统。油泵2的数量可以为两个，一个用于将变压器油泵入油室1，另一个用于将变压器油泵出油室1(返回变压器储油箱)。也可以就用一个油泵2来进行泵入和泵出。
85.色谱气体分离装置5连接了定量室4和甲醇气敏装置6，分离变压器油气体组分，方便进一步进行气体检测。
86.惰性气体发生装置3通过气路和转接头与油室1相连将产生的气体吹入定量室4。
87.油室1外侧缠绕加热带12用于加速油室1内气体蒸发，加热带采用恒功率型加热带，其最高耐温为205摄氏度，防爆防腐蚀，防止变压器油与其发生反应影响加热效果。
88.液位计14所采用的材料需具备以下特点：耐高压(正负5kp)、耐高温(实验温度150℃)、具有螺纹与油室1上方顶盖进行旋转固定保证气密性，准确的监测油室1内变压器油的液面。
89.甲醇气敏模块具有高灵敏度、高分辨率、低功耗、使用寿命长、高稳定性、优秀的抗干扰能力、卓越的线性输出。
90.色谱模块具有分离效能高、分析速度快、灵敏度高、样品用量少等特点。
91.本发明的工作原理是：打开油泵2，将变压器油压入油室2-2内，液位计14提供反馈信号控制油室内变压器油的容量，待油室内油上涨到一定程度(达到第一设定容量)，关闭油泵2。
92.将变压器油加热至气体状态，油室1上方与定量室4相连，启动惰性气体发生装置3将混合气体吹入定量室4中，定量室4下方连接甲醇气敏装置6和色谱气体分离装置5，将混合气体抽到色谱气体分离装置5中分离，通过色谱气体分离装置5对不同气体的亲和力作用，混合气体被逐步分离，甲醇气敏装置6对甲醇气体进行分析，并将得到的数据发送给上位机，上位机通过数据分析对数据进行处理，进一步进行综合诊断，以实现变压器油中甲醇含量的测定，进而实现变压器故障的在线检测与分析。
93.实际上，进入色谱气体分离装置5进行分离和甲醇气敏装置6进行检测的为混合气体，但是本装置仅对甲醇分离对应的时刻的读数进行记录，而其他时刻的读数不予记录，即本装置重点关注的是甲醇的含量，至于混合气体中其他组分的含量，本装置并不关注。
94.其中，上位机根据下式，通过甲醇含量得到变压器油纸的聚合度：
[0095][0096]
其中，dp为不同老化时期变压器油纸的聚合度，dp0为未老化时变压器油纸的聚合度，(dp0/dp)-1表示纤维素链断裂数目，ja与jckc为相关拟合参数，ka为绝缘纸无定形区降解速率，[ch3oh]为油中甲醇含量。
[0097]
通常新的变压器油纸的聚合度是1000-1200，当平均聚合度降到500时，变压器整体绝缘处于寿命中期，当下降到250时则认为绝缘寿命终止，聚合度下降到150时，变压器油纸的机械强度几乎为零。
[0098]
变压器的寿命通常指变压器油纸的寿命，变压器寿命和变压器油纸的聚合度对应如下：
[0099][0100][0101]
其中，一般变压器油纸的聚合度是1000-1200，当平均聚合度降到500时，变压器整
体绝缘处于寿命中期，当变压器油纸的聚合度下降到250时则认为绝缘寿命终止，变压器油纸的聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度几乎为零。
[0102]
本装置构筑了用于变压器绝缘故障识别的传感器阵列以及相应计算模型，有效评估变压器绝缘性能与老化程度，进而实现变压器寿命预测。
[0103]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他实施例中。

技术特征：
1.一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置，其特征在于，包括油室(1)、油泵(2)、惰性气体发生装置(3)、定量室(4)、色谱气体分离装置(5)、甲醇气敏装置(6)、检测气体抽取泵(7)和上位机；所述油室(1)能够通过油泵(2)与被测变压器的储油箱连通；且所述油室(1)还通过第一气阀(8)与定量室(4)连通；所述惰性气体发生装置(3)的惰性气体出口通过第二气阀(9)与所述油室(1)连通；所述定量室(4)通过第三气阀(10)与色谱气体分离装置(5)的混合气体入口连通，色谱气体分离装置(5)的甲醇出口与甲醇气敏装置(6)的甲醇入口连通；检测气体抽取泵(7)依次通过甲醇气敏装置(6)和色谱气体分离装置(5)连通至定量室(4)内部；所述甲醇气敏装置(6)的甲醇含量输出端与上位机的甲醇含量输入端电气连接；所述上位机能够根据甲醇含量计算得到被测变压器油纸的聚合度，所述变压器油纸的聚合度对应了变压器油纸绝缘老化状态。2.根据权利要求1所述的一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置，其特征在于，还包括加热带(12)；所述加热带(12)缠绕在所述油室(1)的外侧壁。3.根据权利要求2所述的一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置，其特征在于，还包括定量室抽真空泵(13)；所述定量室抽真空泵(13)通过第四气阀(15)与定量室(4)连通。4.根据权利要求3所述的一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置，其特征在于，还包括液位计(14)；所述液位计(14)固定在油室(1)的顶部，且该液位计(14)的检测端插入至油室(1)内部，能够检测油室(1)内变压器油的液位。5.一种变压器油纸绝缘老化状态监测方法，其特征在于，基于权利要求4所述的监测装置实现，具体步骤如下：步骤一、油室(1)通过油泵(2)从被测变压器的储油箱中抽取第一设定容量的变压器油；步骤二、利用惰性气体发生装置(3)所产生的惰性气体，将油室(1)内第二设定容量的混合气体吹入定量室(4)；所述混合气体由油室(1)内的变压器油蒸发生成，且该混合气体包括甲醇气体；步骤三、利用色谱气体分离装置(5)将甲醇气体与其他气体分离，再利用甲醇气敏装置(6)检测分离后甲醇气体的甲醇含量；步骤四、上位机根据甲醇含量计算得到变压器油纸的聚合度，并根据变压器油纸的聚合度对应得到变压器油纸绝缘老化状态。6.根据权利要求5所述的一种变压器油纸绝缘老化状态监测方法，其特征在于，变压器油纸的聚合度与变压器油纸绝缘老化状态对应关系如下：当变压器油纸的聚合度大于等于900时，变压器油纸绝缘状态良好；当变压器油纸的聚合度大于等于500时且小于900时，变压器油纸开始老化，绝缘状态一般；
当变压器油纸的聚合度大于等于250时且小于500时，变压器油纸老化严重，绝缘状态差；当变压器油纸的聚合度小于250时，变压器油纸彻底老化，寿命终止。7.根据权利要求5或6所述的一种变压器油纸绝缘老化状态监测方法，其特征在于，步骤一中还包括：利用加热带(12)对油室(1)内变压器油进行加热的过程。8.根据权利要求7所述的一种变压器油纸绝缘老化状态监测方法，其特征在于，步骤二中还包括：在混合气体吹入定量室(4)之前，利用定量室抽真空泵(13)对定量室(4)进行抽真空的过程。9.根据权利要求5、6或8所述的一种变压器油纸绝缘老化状态监测方法，其特征在于，步骤一中，油室(1)内变压器油的容量通过液位计算得到；所述液位通过液位计(14)测得。10.根据权利要求9所述的一种变压器油纸绝缘老化状态监测方法，其特征在于，第一设定容量为360ml，第二设定容量为100ml。

技术总结
一种变压器油纸绝缘老化状态监测装置及方法，涉及一种间接监测变压器寿命的装置和方法。目的是为了克服现有检测表征绝缘纸老化程度的特征量，检测难度大、误差也较大的问题。装置包括：油室能够通过油泵与被测变压器的储油箱连通；且油室还通过第一气阀与定量室连通；惰性气体发生装置的惰性气体出口通过第二气阀与油室连通；定量室通过第三气阀与色谱气体分离装置的混合气体入口连通，色谱气体分离装置的甲醇出口与甲醇气敏装置的甲醇入口连通；检测气体抽取泵依次通过甲醇气敏装置和色谱气体分离装置连通至定量室内部；甲醇气敏装置与上位机电气连接；上位机能够根据甲醇含量计算得到被测变压器油纸的聚合度，对应了变压器油纸绝缘老化状态。油纸绝缘老化状态。油纸绝缘老化状态。


技术研发人员：韩毅诚 程嵩 王俭旭 韩林廷 赵诣 闫志国
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/4